小型无人机横侧向飞行控制律设计技术研究

论文摘要

无人机(Unmanned Aerial Vehicle)是一种由无线电遥控设备或自身程序控制装置操纵的无人驾驶飞行器。无人机具有用途广泛、成本低、无人员伤亡风险、使用方便等优点。因此,无人机在现代战争中有极其重要的作用,在民用领域更有广阔的前景。但是,随着飞行任务的不断复杂化,对飞控系统的要求也就越来越高。本文的研究目标就是改进传统的无人机横侧向控制系统以提高其控制性能。本论文以样例无人机为研究对象,以MATLAB软件为开发工具。首先详细分析了无人机各飞行阶段横侧向控制需求,并在此基础上提出了样例无人机改进的横侧向控制系统的总体设计和验证方案。然后,本文在MATLAB/SIMULINK环境中建立了样例无人机三轮滑跑段、两轮滑跑段和空中飞行段的非线性模型,并采用小扰动线性化方法得到线性系统状态方程。此外,本文以样例无人机数学模型为基础仔细研究了其对象特性和横侧向干扰项对其特性的影响。之后,针对空中飞行段特点,本文根据其控制需求开发了三种抗干扰的横侧向控制律,并通过理论和仿真对比分析选定最终方案。针对自动着陆段特点,本文根据其各阶段控制需求开发了高精度的横侧向控制律。控制律设计完成后,本文还验证了其全包线范围内的时频域鲁棒性,并在非线性系统中对其进行了仿真验证和干扰因素影响下的鲁棒性验证。最后,本文在等效飞控仿真验证平台上对样例无人机改进的横侧向控制律进行了全包线实时仿真验证。仿真结果表明,本文所开发的抗干扰的横侧向控制律和高精度的横侧向控制律均具有良好的控制性能,可以满足实际工程需求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 传统无人机横侧向控制系统
• 1.2.1 传统横侧向控制结构
• 1.2.2 传统横侧向控制系统缺陷
• 1.3 横侧向控制系统改进方法
• 1.4 本文研究内容
• 第二章 横侧向控制律设计方案
• 2.1 引言
• 2.2 空中段抗干扰的控制律设计
• 2.2.1 控制需求
• 2.2.2 控制结构
• 2.2.3 控制策略对比
• 2.3 着陆段高精度的控制律设计
• 2.3.1 控制需求
• 2.3.2 控制结构
• 2.4 自动配平控制技术
• 2.5 控制律仿真验证
• 2.5.1 控制律仿真验证平台
• 2.5.2 控制律验证步骤
• 2.5.3 控制律验证步骤
• 2.6 小结
• 第三章 对象建模与特性分析
• 3.1 引言
• 3.2 对象数学建模
• 3.2.1 假设条件
• 3.2.2 坐标系
• 3.2.3 气动力和气动力矩的计算
• 3.2.4 MATLAB/SIMULINK 环境下数学模型的实现
• 3.3 无人机模型的配平和线性化
• 3.3.1 运动模态的配平
• 3.3.2 小扰动线性化方法
• 3.4 原系统对象特性分析
• 3.4.1 静稳定性分析
• 3.4.2 动态特性分析
• 3.5 干扰项对系统对象特性的影响
• 3.5.1 对平衡状态的影响
• 3.5.2 对控制系统稳态性能的影响
• 3.6 小结
• 第四章 抗干扰的横侧向控制律设计
• 4.1 引言
• 4.2 抗干扰的控制律设计
• 4.2.1 基本控制结构
• 4.2.2 基本控制参数设计
• 4.2.3 抗干扰的控制策略
• 4.2.4 抗干扰的控制参数设计
• 4.3 抗干扰的控制律对比与选取
• 4.4 抗干扰的控制律鲁棒性验证
• 4.4.1 全包线内鲁棒性验证
• 4.4.2 不确定因素干扰下控制律鲁棒性验证
• 4.4.3 有风干扰下控制律鲁棒性验证
• 4.5 小结
• 第五章 高精度的横侧向控制律设计
• 5.1 引言
• 5.2 高精度的控制律设计
• 5.2.1 高精度的控制结构
• 5.2.2 自动配平控制技术
• 5.2.3 高精度的控制参数设计
• 5.3 着陆段控制律鲁棒性验证
• 5.3.1 全包线内控制器鲁棒性验证
• 5.3.2 不确定因素干扰下控制律鲁棒性验证
• 5.3.3 有风干扰下控制律鲁棒性验证
• 5.4 小结
• 第六章 改进的横侧向控制律仿真验证
• 6.1 引言
• 6.2 非线性仿真
• 6.2.1 仿真环境
• 6.2.2 仿真验证步骤
• 6.2.3 抗干扰的控制律仿真
• 6.2.4 高精度的控制律仿真
• 6.3 等效飞控仿真
• 6.3.1 仿真验证平台
• 6.3.2 仿真验证步骤
• 6.3.3 抗干扰的控制律仿真
• 6.3.4 高精度的控制律仿真
• 6.4 小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 本文的主要工作
• 7.2 后续研究工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间发表的论文